01前言

人類對飛輪的認識可以追溯到2000多年前，當時陶工所用的轉輪被認為是飛輪最早的應用。進入20世紀90年代以后，飛輪儲能受到了廣泛的重視，并得到了快速發展，已經出現了很多高性能的產品。美國、日本、法國、英國、德國、荷蘭、俄羅斯、西班牙、韓國、中國、印度、瑞士、加拿大和意大利等國都在進行研究和開發工作，并已經開始應用于電力系統、備用電源、交通工具、航天航空、軍工等領域。

飛輪蓄電系統可與太陽光和風力等的不穩定的發電系統組合，實現電力系統的穩定化及作為電氣鐵路的再生制動失效時的有效應對措施。本文介紹的超導飛輪蓄電儲能系統由日本鐵道綜合技術研究所設計，是由高溫超導線圈和高溫超導塊體構成的“超導磁軸承”使飛輪非接觸浮起，因此即使使用大型飛輪，損失也很少，是可以長期穩定運用的實效性高的系統。通過采用碳纖維復合材料（CFRP）飛輪轉子和超導軸承， 實現了大容量且維護性出色的蓄電系統的目標。

02飛輪蓄電儲能系統

飛輪儲能系統又稱飛輪電池，其基本結構由飛輪轉子、軸承、電動機/發電機、電力電子控制裝置、真空室等五個部分組成。其中飛輪轉子作為飛輪電池的關鍵部件，一般選用強度高密度相對較小的材料制作而成，根據外形不同可分為圓輪、圓盤或圓柱剛體等類型；軸承是飛輪裝置的軸系支承部件，由于磁懸浮支承軸承和組合式軸承可以降低摩擦損耗，提高系統效率而成為了支承技術的研究熱點，尤其是組合式軸承結合了機械軸承和磁懸浮軸承的優點，已經引起了飛輪儲能系統研究和開發者的廣泛關注；電機作為一個集成部件，具有電動機和發電機的功能，可以在電動和發電兩種模式下自由切換，以實現機械能和電能的相互轉換；電力電子控制裝置主要是對輸入或輸出的電能進行變換控制，通過對電力電子控制裝置的操作可以實現對飛輪電機各種工作要求的控制；真空室主要作用是為飛輪提供真空環境以降低風阻損耗并在飛輪高速旋轉破裂時保護周圍人員和設備。

03鐵路系統用超導飛輪蓄電系統

軌道電車剎車時產生的再生電能，通過架線供給其他車輛使用。但是，在同一變電所區間在沒有其他可利用列車的情況下，需要將該能源儲存在地上設置的蓄電池中，以備需要時進行有效利用。

飛輪儲能系統是將能量以高速旋轉飛輪的轉動動能的形式來存儲起來的裝置。它有三種模式：充電模式、放電模式、保持模式。充電模式即飛輪轉子從外界吸收能量,使飛輪轉速升高將能量以動能的形式存儲起來，充電過程飛輪做加速運動，直到達到設定的轉速；放電模式即飛輪轉子將動能傳遞給發電機，發電機將動能轉化為電能,再經過電力控制裝置輸出適合于用電設備的電流和電壓，實現機械能到電能的轉化，此時飛輪將做減速運動，飛輪轉速將不斷降低，直到達到設定的轉速；保持模式即當飛輪轉速達到預定值時既不再吸收能量也不向外輸出能量，如果忽略自身的能量損耗其能量保持不變。由此，整個飛輪系統實現了能量的輸入、輸出以及存儲。

通過該系統每年可節能146MWh。而且，即使通過反復充放電，其性能也不會劣化，因為是不含有害物質的結構，所以對環境友好的特征。此外，由于本系統中承受飛輪轉子負荷的軸承采用超導技術，實現了非接觸，降低了維護成本和能量的損失。該超導飛輪蓄電系統在鐵路上的應用是尚屬世界首次。

在本系統中，將再生電力能量作為動能儲存在下行坡度行駛的列車中，再向上坡行駛的列車釋放能量。另外，根據本系統的能量，為了輔助上坡行駛，可以削減從變電站輸電的電力。

圖3 用于軌道交通的CFRP飛輪蓄電儲能系統

04本系統的特點

對于飛輪蓄電儲能系統來說，“更大”“更重”的飛輪“以更快的速度旋轉”，可以儲存更大的能量。在本次開發的“超導CFRP飛輪蓄電系統”中，特別是通過以下技術的開發，使得大直徑、重量大的飛輪以高速且低損耗旋轉。

以往提出的碳纖維復合材料（CFRP）飛輪，在兼顧高強度的制造方法和成本兩因素的基礎上，直徑1m左右已經是極限，在本項目中，通過在創新碳纖維的編織方法，實現了高強度、高可靠性，成功實現了直徑2m的大直徑化。此外，本飛輪是由CFRP轉子（外徑2m、內徑1.4m、厚度10cm）9枚層疊而成的，根據層疊張數可以制作各種蓄電容量的飛輪。

本系統的超導磁軸承，使用了包含釔的第2代高溫超導線材的高強度的高溫超導磁鐵，旋轉軸側使用高溫超導巴爾克體。將該軸承冷卻到50K（-223℃）以下，產生強大的磁場，成功實現了非接觸支撐約4噸的飛輪。這允許飛輪以高速和低損耗旋轉。另外，與冷卻到以往的20K（-253℃）的高溫超導線圈相比，可以在大幅提高的溫度50K（-223℃）下運行，降低了冷卻成本。

05實地試驗

為了充分利用上下坡行駛的列車所產生的能量，將本系統設置在與中央本線穴山站相鄰的穴山變電站。從2022年6月開始，針對在穴山站附近行駛的列車實施行駛時的充放電，以將來的規?；瘧脼槟繕?，驗證充放電特性和系統的有效性。

圖6 試驗行駛路線起伏

此次完成的系統，通過直徑2m重約4噸的CFRP飛輪以最高轉速6000pm轉動，成功實現輸出300kW，蓄電容量100kWh的世界最大級別的飛輪蓄電儲能系統。

07參考文獻